Электрический взрыв проводника, как способ получения

МИНИСТЕРСТВО НАУКИ И ОБРАЗОВАНИЯ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ
Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение
высшего профессионального образования
«НАЦИОНАЛЬНЫЙ ИССЛЕДОВАТЕЛЬСКИЙ
ТОМСКИЙ ПОЛИТЕХНИЧЕСТКИЙ УНИВЕРСИТЕТ»
Институт/факультет ЭНИН
Кафедра: ЭСС
УИРС
Электрический взрыв проводника, как способ получения
нанопорошков сплавов металлов.
Выполнил студен гр. 5А1А
_______Степанченко А. Е.
ФИО
Проверил______________
Тихонов Д.В.
ФИО
Томск – 2014
Оглавление
1.
Ведение ................................................................................................................................................ 4
2.
История развития ................................................................................................................................ 5
3.
Преимущества ЭВП-технологии ....................................................................................................... 9
4.
Метод электрического взрыва проводников .................................................................................... 9
5.
Получение сплавов методом ЭВП ...................................................................................................14
6.
Свойства нанопорошков ...................................................................................................................15
7.
Применение........................................................................................................................................16
8.
Заключение ........................................................................................................................................18
Список литературы: ..................................................................................................................................19
2
3
1. Ведение
Электрическим взрывом проводников называют явление взрывообразного
разрушения металлического проводника при прохождении
через него
импульса тока очень большой плотности. Под действием импульса тока
проволока разрушается на мельчайшие частички и пар. Разлетаясь с большой
скоростью, продукты разрушения быстро охлаждаются, и образуется
нанодисперсный порошок. Эти нанопорошки находятся в аморфном
состоянии. Особый интерес к нанопорошкам связан с их применением в
качестве исходного сырья при производстве керамических, магнитных и
композиционных
фильтров,
материалов,
присадок
низкотемпературных
к
сверхпроводников,
смазочным
высокопрочных
солнечных
материалам,
припоев
и
др.
батарей,
компонентов
Существенно
расширяется использование нанопорошков в промышленности (технологии
диффузионной сварки, создание защитных и антифрикционных покрытий,
восстановление изношенных деталей механизмов). Электроника, оптика и
обрабатывающая
промышленность
потребляют
более
70%
мирового
производства нанопорошков. С каждым годом увеличивается интенсивность
использования нанопорошков в сельском хозяйстве и природоохранительной
отрасли (включая добычу полезных ископаемых и их обработку, получение
электроэнергии и водоочистку), а также медицине и косметологии.
4
Процесс взрыва проводников
Рис1. Этапы развития ЭВП: 1 - пробой с электрода на проводник; 2 образование плазменного шнура; 3 - его расширение; 4 - разлёт
расширяющихся продуктов взрыва.
Продуктами разрушения проводника являются пары и мельчайшие частицы
металла, которые в определенных условиях могут взаимодействовать с
окружающей средой, образуя различные химические соединения.
В зависимости от рода газа, окружающего проводник, можно получать
порошки металлов, сплавов, порошки химических соединений или порошки
композиционных составов.
2. История развития
Электрический взрыв известен более 200 лет, первая публикация появилась в
1774 году задолго до открытия закона Ома. Одна интересная работа
проведена известным физиком Майклом Фарадеем в 1857 году. Он получал
очень тонкие металлические пленки на внутренних стенках колбы при
разряде лейденской банки через золотую проволочку. В последующем
интерес к электрическому взрыву в разных областях науки и техники
нарастает лавинообразно. К 1966 году было опубликовано уже более 800
5
статей , охватывающих широкий круг фундаментальных и прикладных
исследований.
Под электрическим взрывом понимается комплекс процессов, происходящих
при быстром джоулевом нагреве металлического проводника до температур,
превышающих температуру начала испарения металла. Эти процессы
включают, как правило, фазовые переходы металл - жидкость - пары металла
в начальной стадии, формирование плотной металлической плазмы при
дальнейшем нагреве, образование мелких частиц при разлете продуктов
взрыва
и
их
остывании.
Явление
сопровождается
(или
может
сопровождаться) обрывом тока в контуре и генерированием импульсов
высокого
напряжения,
мощными
ударными
волнами,
химическими
реакциями, яркой вспышкой света. Причем, условия осуществления
электрического взрыва весьма разнообразны по энергетике, набору металлов,
окружающей среде и т.д. Весьма разнообразны, соответственно, достигаемые
при этом физические состояния и получаемые эффекты.
Многогранность и необычность явления стимулировали его детальные
исследования с самых различных точек зрения. В первую очередь это
относится
к
изучению
теплофизичееких
свойств
металлов
в
высокотемпературной области. Электрический взрыв используется как
источник высокотемпературной плазмы в исследованиях по управляемому
термоядерному синтезу , в работах по созданию источников света , в
исследованиях генерации мощных импульсов мягкого рентгеновского
излучения. Взрывающиеся проволочки изучаются и применяются в качестве
мощных быстродействующих прерывателей тока , предохранителей , для
создания активной среды импульсных лазеров , а также во многих
электрофизических установках . Интенсивно исследуется и развивается,
раскрывая новые возможности, электровзрывной метод получения микро -и
наноразмерных
металлических
порошков,
химических
соединений
и
6
различных нанофазных материалов , начиная с упомянутых экспериментов
М. Фарадея.
Это далеко не полный перечень основных направлений работ по
электрическому взрыву. В ходе исследований выяснилось, что электрический
взрыв затрагивает мало изученные области взаимодействия между металлами
и электрическими и магнитными полями. Электропроводность металлов,
например, хорошо изучена только в области конденсированного состояния (в
том числе, и с помощью метода импульсного джоулева нагрева) и в области
идеальной плазмы при температуре ~ 104 К. Промежуточные состояния, в
особенности
окрестность
критической
точки,
область
плотной
пространственно неоднородной плазмоподобной среды, до сих пор являются
предметом изучения, происходит накопление экспериментальных данных по
поведению металлов при высокоэнергетическом воздействии и развиваются
различные физические модели для их интерпретации.
Было ясно, что имеется обширное белое пятно между теорией и
практической необходимостью в реализации электрического взрыва в новых,
в том числе и технологических, установках. Заполнить указанный пробел,
свести к минимуму время между исследованиями и использованием
взрывающихся проводников можно с помощью физического моделирования
явления с применением методов подобия и имеющихся теоретических
предпосылок.
Планомерное экспериментальное исследование электрического взрыва, было
начато в Томске в семидесятые годы под руководством академика РАН Г.А.
Месяца и чл.-корр. РАН Ю.А. Котова. Работы проводились в НИИ высоких
напряжений при Томском политехническом университете, в Институте
сильноточной электроники СО РАН и позднее - в Институте электрофизики
УрО РАН. Начало исследований во многом определялось перспективой
использования
взрывающихся
проволочек
для
коммутации
тока
в
7
индуктивных накопителях энергии и в качестве обострителей мощности при
создании
импульсных
источников
питания
мегавольтного
уровня
напряжений, необходимых для многих областей физических и инженерных
исследований: для формирования сильноточных пучков релятивистских
электронов, импульсной накачки лазеров и т.д. Отдельный интерес
представляли аэрозоли, образующиеся при электрическом взрыве.
Изучение физических механизмов, реализующихся и превалирующих в тех
или
иных
условиях
электрического
взрыва
методами
физического
моделирования и подобия, поиске и создании полуэмпирических моделей
основных характеристик взрывающегося проводника и электрического
контура,
изучении
и
оптимизации
возможностей
их
научного
и
технологического использования.
При достижении поставленной цели решались следующие конкретные
задачи:
- разработка методик и схем физического моделирования, установление
соотношений подобия на базе имеющихся теоретических представлений и их
экспериментальная проверка;
- проведение экспериментальных исследований и изучение основных
характеристик электрического взрыва с применением критериев подобия,
- изучение электрического взрыва при высоких плотностях тока,
- выявление наиболее существенных факторов и создание методик расчета
взрыва проводников из различных металлов,
-
применение
результатов
моделирования
при
разработке
новых
электрофизических установок и технологий, использующих электрический
взрыв и, наконец,
8
- создание феноменологической модели электрического взрыва.
3. Преимущества ЭВП-технологии
Основными достоинствами ЭВП-технологии по отношению
к другим
методам получения нанопорошков металлов являются:
1. Возможность
получения
частиц
металлов
с
высокой
физико-
химической активностью, которую невозможно обеспечить другими
технологиями.
2. Формирование частиц сферической формы наноструктурированных по
объему, что обеспечивает их высокую химическую активность.
3. Энергозатраты ниже, чем в других известных нам методах получения
сферических металлических наночастиц. Это связано с тем, что в ЭВПтехнологии энергия вводится в металл импульсно и объёмно, а не с
поверхности, поэтому расход энергии на нагрев окружающей среды
относительно низок.
4. Возможность
тонкого
и
гибкого
управления
параметрами
технологического процесса и соответственно свойствами получаемых
порошков.
5. Получение широкой гаммы нанопорошков любых металлов и сплавов,
которые выпускаются или могут быть изготовлены в виде проволоки
или фольги. В некоторых случаях можно взрывать и струи
расплавленного металла.
4. Метод электрического взрыва проводников
По своей природе ЭВП как метод получения нанопорошков сочетает в
себе признаки диспергационных методов - проводник разрушается под
действием электрического тока, и методов испарения-конденсации - значительная часть материала проводника в процессе электровзрыва переходит
9
в газообразное состояние. Причем доля металла, перешедшего в пар, зависит
от величины введенной в проводник энергии.
ЭВП как метод диспергирования металлов характеризуется следующими
особенностями:
• время взрыва составляет 10-10 с;
• величина развиваемой мощности превышает 10 Вт/кг;
• температура в момент взрыва может достигать значения 104 К и выше,
давление — 109 Па;
• скорость разлета продуктов составляет от 1 до 5 км/с;
• одной из важнейших характеристик ЭВП является введенная в
проводник энергия;
• частицы формируются как за счет конденсации паровой фазы, так и за
счет диспергирования жидкого металла;
• увеличение вводимой в проводник энергии приводит к возрастанию
доли металла, перешедшего в парообразное состояние, но получение чисто
паровой фазы считается невозможным.
Достоинством
электровзрывной
технологии
является
ее
универ-
сальность — возможность получения нанопорошков металлов, сплавов,
интерметаллидов и химических соединений с неметаллами на одном и том
же оборудовании. Максимальный выход порошков по алюминию составляет
50 г/ч, по вольфраму — до 300 г/ч при производстве на одной установке.
10
Принципиальная схема установки для производства НП показана на рис. 1.1.
Рис. 2. Принципиальная схема установки для производства
нанопорошков методом ЭВП: 1 - высоковольтный источник питания; 2 емкостной накопитель энергии; 3 - механизм подачи проволоки; 4 - взрываемый
проводник; 5 - высоковольтный электрод; 6 - коммутатор; 7 - накопитель
нанопорошка; 8 - вентилятор; 9 - взрывная камера; 10 - система газового
снабжения; 11 - заземленный электрод
Установка работает следующим образом. От высоковольтного источника питания (1) заряжается емкостной накопитель энергии (2). Механизм
подачи проволоки (3) обеспечивает автоматическую подачу взрываемого
отрезка проволоки (4) в межэлектродный промежуток. При достижении
проволокой высоковольтного электрода (5) срабатывает коммутатор (6),
происходит разряд накопителя на отрезок проволоки между высоковольтным
и заземленным (11) электродами — и он взрывается. Образовавшийся
порошок собирается в накопителе (7). Очищенный от порошка газ с
помощью вентилятора (8) подается обратно в камеру. Объем камеры (9)
перед работой вакуумируется, а затем заполняется требуемой газовой
атмосферой. Эти функции выполняет система газового снабжения (10).
В качестве газовой атмосферы при производстве порошков металлов,
сплавов и интерметаллидов используются инертные газы, преимущественно
аргон. Порошки, полученные в инертной среде, являются пирофорными, то
есть воспламеняются при контакте с воздухом. Их пассивацию проводят
11
медленным
окислением
компонентами
воздуха
или
нанесением
специального покрытия на поверхность частиц. Следует отметить, что
свойства электровзрывных НП в сильной степени зависят не только от
электрических параметров их получения, но и от условий пассивирования.
Для получения порошков соединений металлов с неметаллами (оксидов,
нитридов, карбидов и др.) взрывная камера заполняется химически активным
газом. Выход химических соединений регулируется в широком диапазоне
значений, что дает возможность получать композиционные нанопорошки со
сложным составом отдельных частиц.
Анализ реализованных возможностей получения нанопорошков методом
ЭВП позволил выделить следующие процессы:
1. Получение нанопорошков металлов с пониженной рентгеновской
плотностью. При электровзрыве металлов, не обладающих полиморфизмом
(алюминий, медь), происходит смещение атомов в кристаллической решетке
относительно
их
положения
равновесия.
Например,
для
алюминия
рентгеновская плотность понижена в среднем на 0,2 %, что соответствует
нагреву массивного алюминия на 70 °С. При ЭВП из металлов, обладающих
полиморфизмом
(вольфрам,
титан,
железо),
формируются
высокотемпературные модификации, имеющие пониженную рентгеновскую
плотность.
2. Получение нанопорошков сплавов Fe-Ni, Pb-Sn, Cu-Zn. Нанопорошки
при этом имеют сложный фазовый состав, зависящий от величины введенной
в
проводник
энергии.
Наблюдается
обогащение
поверхностных
и
приповерхностных слоев частиц более легколетучим компонентом.
3. Получение
интерметаллидов.
При
совместном
электровзрыве
алюминиевых и медных проводников формируются интерметаллиды Cu9Al4
и CuAl2. Максимальный выход интерметаллидов наблюдается при нулевом
расстоянии между проводниками. При электровзрыве алюминиевых и
железных проводников были получены интерметаллиды FeAl, Fe3Al.
12
4. Получение карбидов металлов при ЭВП из вольфрама, титана, тантала
в углеводородсодержащих средах.
5. Получение нанопорошков оксидов и нитридов металлов при ЭВП
(алюминий, титан, медь) в химически активных средах, содержащих
кислород и азот, соответственно, а также нанопорошков композитов,
например AlN-Y2O3-Al.
6. Порошки, получаемые электрическим взрывом проводников, как
правило, имеют сферическую форму частиц и являются полидисперсными
системами. Для оценки степени дисперсности электровзрывных порошков
обычно используют такие характеристики, как среднеповерх-ностный (d s ),
среднечисленный (а0) и среднемассовый (d m ) диаметры частиц, удельная
площадь поверхности (£уд), функция распределения частиц по размерам.
7. Дисперсный состав порошков является одной из важнейших характеристик,
определяющих
их
технические
характеристики
(насыпную
плотность, сыпучесть, угол откоса, реакционную способность и др.), а,
следовательно, и области применения. С повышением дисперсности НП
металлов, как правило, увеличивается их активность, но при этом снижается
и содержание металлов в частицах. Кроме того, получение НП с размерами
меньше 30 нм нецелесообразно в связи с их нестабильностью к окислению,
спеканию и агломерации. В инертных средах порошки таких размеров
спекаются по диффузионному механизму, а в химически активных средах взаимодействуют с взрывом. Поэтому актуальной является задача поиска
условий получения НП, обеспечивающих высокую дисперсность и узкое
распределение частиц по размерам в области 30-100 нм.
8. Важным достоинством электровзрывной технологии является возможность регулирования свойств конечных продуктов электровзрыва:
дисперсного, фазового и химического состава нанопорошков и других
характеристик с помощью электрических параметров. Очень низкие затраты
энергии (менее 10 кВт-час/кг) обусловлены прямым нагревом проводника
электрическим током без участия теплоносителей и высокой скоростью
13
нагрева (более 10 К/с), обеспечивающей практически адиабатические
условия передачи энергии проводнику.
9. Электровзрывная технология является экологически безопасной:
процесс наработки нанопорошков проводится в замкнутой камере, технологические выбросы отсутствуют.
5. Получение сплавов методом ЭВП
Сущность метода получения НП сплавов и ИМС при использовании
проводников из разнородных металлов (пары медь и алюминий, железо и
алюминий) заключается в том, что во взрывную камеру подаются заготовки
из металлов, соединения которых предполагается получить, и проводится их
совместный электрический взрыв в инертной среде. В процессе разлета
продукты взрыва смешиваются и реагируют между собой. Совместные
взрывы проводников одинаковой длины проводились при их параллельном
расположении. В случае разных длин проводников взрывался «жгут», когда
на одну или несколько проволочек из одного металла наматывались
остальные с равномерным шагом
намотки. В экспериментах изменялись: расстояние между проводниками при
их параллельном расположении, соотношение масс взрываемых заготовок,
энергия, введенная в систему проводников, и энергия дуговой стадии
электрического
взрыва.
Для
исследования
возможности
образования
интерметаллидов в условиях ЭВП из сплавов CuNi использовались
проводники диаметром 0,3 мм с содержанием никеля 45, 23, 12 и 6 мас. %.
Образцы порошков получали при одном и том же зарядном напряжении,
равном 24 кВ. Взрывы проводились в среде аргона при давлении 200 кПа на
опытно-промышленной установке, структурная схема которой показана на
рис. 5.1. Анализу подвергали порошок, осевший в специальном сборнике и
прошедший пассивацию в среде аргона с контролируемым напуском воздуха.
При этом не допускалось разогрева образца. Процесс пассивации обычно
заканчивался через 10 сут.
14
6. Свойства нанопорошков
При получении наночастиц проявляется особенность — склонность к
образованию объединений частиц. Такие объединения называют агрегатами
и агломератами. В результате, при определении размеров наночастиц,
необходимо различать размеры отдельных частиц (кристаллитов) и размеры
объединений
частиц.
Различие между агрегатами и агломератами не является четко определенным.
Считается, что в агрегатах кристаллиты более прочно связаны и имеют
меньшую
межкристаллитную
пористость,
чем
в
агломератах.
Проблема, связанная с агрегированием наночастиц, возникает при их
компактировании.
порошка
требуются
объединения
этой
при
путем спекания, для
материала
В
Например,
связи
при
достижения
температуры
наночастиц
разработке
компактировании
тем
определенной плотности
выше,
имеются
методов
агрегированного
чем
более
крупные
в
порошке.
получения
нанопорошков
продолжаются поиски мер для исключения или уменьшения степени
образования
объединений
наночастиц.
Так, в методах получения нанопорошков путем конденсации из паровой фазы
15
оказалось целесообразным точное регулирование температуры образования
наночастиц.
В химических методах оказывается эффективным исключение воды из
некоторых стадий синтеза для уменьшения степени агломерирования.
Используются также методы уменьшения контакта между частицами путем
их покрытия (капсулирования) , которое затем, перед компактированием,
удаляется.
Тем не менее агрегирование и агломерирование наночастиц осложняет
получение
компактных
материалов.
Требуются большие механические усилия или повышение температуры (при
спекании), чтобы преодолеть силы агломерирования.
7. Применение
Освоение наноматериалов в последние годы уверенно выходит на
промышленный уровень. Некоторые страны и объединения (США, Япония,
НАТО и др.) вкладывают сотни миллионов долларов в разработку способов
синтеза, исследования свойств, производство наноматериалов, изготовление
приборов
и
конструкций
с
использованием
наноматериалов.
Уже в конце 80-х годов XX века США и Япония ежегодно тратили на
исследования в области наноматериалов порядка 110...120 млн долларов.
Только в США более трех десятков компаний ведут на различном уровне
работу по их производству. Многие наноматериалы уже доступны на рынке.
В настоящее время они широко используются в микроэлектронике,
способствуя
дальнейшей
миниатюризации
электронных
приборов,
в
защитных системах поглощения ВЧ- и рентгеновского излучений, в качестве
катализаторов (чему способствует огромная, порядка 5 * 107 м-1 удельная
поверхность
на
но
порошков).
В атомной энергетике таблетки ТВЭЛов изготавливаются из УДП UO2, в
16
термоядерной технике из УДП бериллия изготавливают мишени для лазернотермоядерного
синтеза.
Металлические
нанопорошки
восстановления
добавляют
к
моторным
трущихся
маслам
для
поверхностей.
Наноматериалы используют в качестве сверхпрочных конструкционных
материалов
и
износостойких
покрытий.
Пленочные наноматериалы плоской и сложной формы из магнито-мягких
сплавов используются для видеоголовок видеомагнитофонов, существенно
превосходя
по
служебным
свойства
традиционные
материалы.
Полученные плазмохимическим способом УДП металлов с включениями
карбидов используются в качестве шлифующего и полирующего материала
при
«финишинге»
полупроводников
и
диэлектриков.
В медицине УДП применяют для защиты персонала от рентгеновского
излучения (перчатки, фартуки и т. п. из резины с УДП свинцовым
наполнителем в четыре раза легче обычных), а также для лекарств быстрою
усвоения и действия, используемых в экстремальных условиях (ранения в
катастрофах,
боевых
действиях
и
т.
п.).
В военном деле УДП применяются в качестве радиопоглощающего покрытия
самолетов-невидимок
«Стелc»,
в
новых
видах
взрывного
оружия.
В «графитовой бомбе» используются углеродные нановолокна, выводящие
из строя энергосистемы противника. Трубчатые углеродные нановолокна и
фуллерены перспективны для армирования композиционной «суперброни»
для
танков
и
бронежилетов.
Необычность свойств наноматериалов такова, что смело можно сказать:
начиная с 90-х годов XX века научно-технический прогресс человечества
стал определяться наноматериалами и нанотехнологиями. На коммерческий
17
рынок давно уже вышли не только металлические, но и неметаллические
наноматериалы, такие, как оксиды кремния и железа, а оксиды алюминия,
титана,
сурьмы
и
др.
Стали уже доступны некоторые карбиды с размером частиц 20...200 нм.
8. Заключение
Особый интерес к нанопорошкам связан с их применением в качестве
исходного
сырья
композиционных
фильтров,
при
производстве
материалов,
присадок
к
керамических,
сверхпроводников,
смазочным
магнитных
солнечных
материалам,
и
батарей,
компонентов
низкотемпературных высокопрочных припоев и так далее.
Основной
способ
получения
нанопорошков
–
электрический
взрыв
проводников. При использовании этого метода можно получить сферические
частицы, при довольно низких энергозатратах, причем из любых металлов и
сплавов. Так же можно тонко управлять параметрами процесса и
соответственно свойствами материалов. Так же эта технология развивается и
в перспективе возможно открытие новых свойств материалов.
18
Список литературы:
1. А.П. Ильин, О.Б. Назаренко, А.В. Коршунов, Л.О. Толбанов.
Особенности
физико-химических
свойств
нанопорошков
и
наноматериалов.
2. Исследование электрического взрыва проводников и его применение в
электрофизических установках [Электронный ресурс] / Седой В.С.
Режим доступа http://www.dissercat.com/content/issledovanieelektricheskogo-vzryva-provodnikov-i-ego-primenenie-velektrofizicheskikh-ustan свободный. — Загл. с экрана.
3. Получение и свойства электровзрывных нанопорошков сплавов и
интерметаллидов / [Электронный ресурс] А.П. Ильин, О.Б. Назаренко,
Д.В.
Тихонов,
Г.В.
Яблуновский
Режим
доступа
[http://portal.tpu.ru/SHARED/o/OLGANAZ/science/Tab1/Interme.pdf]
свободный. — Загл. с экрана.
19